Çağlar boyunca bir atomla - bölüm 3

Rutherford'un gezegensel atom modeli gerçeğe Thomson'ın "üzümlü puding"inden daha yakındı. Bununla birlikte, bu kavramın ömrü sadece iki yıl sürdü, ancak bir haleften bahsetmeden önce, bir sonraki atom sırlarını çözmenin zamanı geldi.

1. Hidrojen izotopları: kararlı prot ve döteryum ve radyoaktif trityum (fotoğraf: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

nükleer çığ

Atomun gizemlerini çözmenin başlangıcına işaret eden radyoaktivite olgusunun keşfi, başlangıçta kimyanın temelini - periyodiklik yasasını - tehdit etti. Kısa sürede birkaç düzine radyoaktif madde tespit edildi. Bazıları farklı atom kütlelerine rağmen aynı kimyasal özelliklere sahipken, aynı kütlelere sahip diğerleri farklı özelliklere sahipti. Üstelik periyodik tablonun ağırlıkları nedeniyle yerleştirilmeleri gereken alanında, hepsini barındıracak kadar boş alan yoktu. Bir keşif çığı nedeniyle periyodik tablo kayboldu.

2. J.J. Thompson'ın 1911 kütle spektrometresinin kopyası (fotoğraf: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Atom çekirdeği

Bu 10-100 bin. tüm atomdan kat daha küçüktür. Bir hidrojen atomunun çekirdeği 1 cm çapında bir top boyutunda büyütülecek ve bir futbol sahasının ortasına yerleştirilecek olsaydı, o zaman bir elektron (bir toplu iğne başından daha küçük) bir kalenin yakınında olurdu. (50 m'nin üzerinde).

Bir atomun neredeyse tüm kütlesi çekirdekte yoğunlaşmıştır, örneğin altın için bu neredeyse %99,98'dir. 19,3 ton ağırlığında bu metalden bir küp hayal edin. Herşey atom çekirdeği altının toplam hacmi 1/1000 mm3'ten azdır (çapı 0,1 mm'den küçük olan bir top). Bu nedenle, atom korkunç derecede boştur. Okuyucular, temel malzemenin yoğunluğunu hesaplamalıdır.

Bu sorunun çözümü 1910'da Frederick Soddy tarafından bulundu. İzotop kavramını tanıttı, yani. atom kütleleri (1) bakımından farklı olan aynı elementin çeşitleri. Böylece, Dalton'un başka bir varsayımını sorguladı - o andan itibaren, bir kimyasal element artık aynı kütleye sahip atomlardan oluşmamalıdır. İzotop hipotezi, deneysel onaydan sonra (kütle spektrografı, 1911), bazı elementlerin atomik kütlelerinin kesirli değerlerini açıklamayı da mümkün kıldı - bunların çoğu birçok izotopun karışımlarıdır ve atom kütlesi hepsinin kütlelerinin ağırlıklı ortalamasıdır (2).

Çekirdek Bileşenleri

Rutherford'un öğrencilerinden bir diğeri, Henry Moseley, 1913'te bilinen elementler tarafından yayılan X-ışınlarını inceledi. Karmaşık optik spektrumların aksine, X-ışını spektrumu çok basittir - her element, dalga boyları atom çekirdeğinin yükü ile kolayca ilişkilendirilebilen yalnızca iki dalga boyu yayar.

3. Moseley tarafından kullanılan X-ray makinelerinden biri (fotoğraf: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Bu, ilk kez mevcut elementlerin gerçek sayısının sunulmasını ve bunların kaçının periyodik tablodaki (3) boşlukları doldurmaya yetmediğini belirlemeyi mümkün kıldı.

Pozitif yük taşıyan bir parçacığa proton denir (Yunanca proton = birinci). Hemen başka bir sorun ortaya çıktı. Bir protonun kütlesi yaklaşık olarak 1 birime eşittir. Halbuki atom çekirdeği 11 birim yüklü sodyumun kütlesi 23 birim mi? Aynı şey, elbette, diğer unsurlar için de geçerlidir. Bu, çekirdekte bulunan ve yükü olmayan başka parçacıkların olması gerektiği anlamına gelir. Başlangıçta fizikçiler bunların elektronlarla güçlü bir şekilde bağlı protonlar olduğunu varsaydılar, ancak sonunda yeni bir parçacığın ortaya çıktığı kanıtlandı - nötron (Latince nötr = nötr). Bu temel parçacığın keşfi (tüm maddeyi oluşturan sözde temel "tuğlalar") 1932'de İngiliz fizikçi James Chadwick tarafından yapıldı.

Protonlar ve nötronlar birbirine dönüşebilir. Fizikçiler, bunların bir nükleon (Latin çekirdeği = çekirdek) adı verilen bir parçacığın formları olduğunu düşünüyorlar.

Hidrojenin en basit izotopunun çekirdeği bir proton olduğundan, William Prout'un "hidrojen" hipotezinde atom yapısı çok da haksız değildi (bkz: “Çağlar Boyunca Atomla - Bölüm 2”; “Genç Teknisyen” No. 8/2015). Başlangıçta, proton ve "proton" isimleri arasında bile dalgalanmalar vardı.

4. Bitişte fotoseller - çalışmalarının temeli fotoelektrik etkidir (fotoğraf: Ies / Wikimedia Commons)

Her şeye izin verilmez

Rutherford'un modelinde ortaya çıktığı sırada "doğuştan bir kusur" vardı. Maxwell'in elektrodinamik yasalarına göre (o sırada çalışan radyo yayınları tarafından onaylanmıştır), bir daire içinde hareket eden bir elektron bir elektromanyetik dalga yaymalıdır.

Böylece enerji kaybeder ve bunun sonucunda çekirdeğe düşer. Normal koşullar altında, atomlar ışıma yapmaz (spektral, yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında oluşur) ve atomik felaketler gözlemlenmez (bir elektronun tahmini ömrü, saniyenin milyonda birinden azdır).

Rutherford'un modeli, parçacık saçılma deneyinin sonucunu açıkladı, ancak yine de gerçeğe karşılık gelmedi.

1913'te insanlar, mikro kozmostaki enerjinin herhangi bir miktarda değil, kuantum adı verilen kısımlarda alındığı ve gönderildiği gerçeğine "alıştı". Bu temelde, Max Planck ısıtılan cisimler tarafından yayılan radyasyon spektrumunun doğasını açıkladı (1900) ve Albert Einstein (1905) fotoelektrik etkinin sırlarını, yani aydınlatılmış metaller tarafından elektronların emisyonunu açıkladı (4).

5. Bir tantal oksit kristali üzerindeki elektronların kırınım görüntüsü, simetrik yapısını gösterir (fotoğraf: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

28 yaşındaki Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, Rutherford'un atom modelini geliştirdi. Elektronların yalnızca belirli enerji koşullarını karşılayan yörüngelerde hareket ettiğini öne sürdü. Ek olarak, elektronlar hareket ederken radyasyon yaymazlar ve enerji yalnızca yörüngeler arasında geçiş yapıldığında emilir ve yayılır. Varsayımlar klasik fizikle çelişiyordu, ancak bunlara dayanarak elde edilen sonuçların (hidrojen atomunun boyutu ve spektrumunun çizgilerinin uzunluğu) deneyle tutarlı olduğu ortaya çıktı. yeni doğan atom modeli.

Ne yazık ki, sonuçlar yalnızca hidrojen atomu için geçerliydi (ancak tüm spektral gözlemleri açıklamadı). Diğer unsurlar için hesaplama sonuçları gerçeğe uygun değildi. Bu nedenle, fizikçiler henüz teorik bir atom modeline sahip değildi.

Gizemler on bir yıl sonra çözülmeye başladı. Fransız fizikçi Ludwik de Broglie'nin doktora tezi, malzeme parçacıklarının dalga özelliklerini ele aldı. Işığın, bir dalganın tipik özelliklerine (kırınım, kırılma) ek olarak, aynı zamanda bir parçacık koleksiyonu - fotonlar (örneğin, elektronlarla elastik çarpışmalar) gibi davrandığı zaten kanıtlanmıştır. Ama kütle nesneleri? Bu varsayım, fizikçi olmak isteyen bir prens için boş bir hayal gibi görünüyordu. Bununla birlikte, 1927'de, de Broglie'nin hipotezini doğrulayan bir deney yapıldı - bir metal kristal üzerinde kırılan elektron ışını (5).

Atomlar nereden geldi?

Herkes gibi: Büyük Patlama. Fizikçiler kelimenin tam anlamıyla "sıfır noktasından" bir saniyenin çok küçük bir bölümünde protonların, nötronların ve elektronların, yani kurucu atomların oluştuğuna inanırlar. Birkaç dakika sonra (evren soğuduğunda ve maddenin yoğunluğu azaldığında) nükleonlar birleşerek hidrojen dışındaki elementlerin çekirdeklerini oluşturdular. En büyük miktarda helyum ve aşağıdaki üç elementin izleri oluştu. Sadece 100'den sonra XNUMX Uzun yıllar boyunca koşullar elektronların çekirdeğe bağlanmasına izin verdi - ilk atomlar oluştu. Bir sonraki için uzun süre beklemek zorunda kaldım. Yoğunluktaki rastgele dalgalanmalar, göründükleri gibi giderek daha fazla maddeyi çeken yoğunlukların oluşumuna neden oldu. Çok geçmeden, evrenin karanlığında ilk yıldızlar parladı.

Yaklaşık bir milyar yıl sonra, bazıları ölmeye başladı. Kurslarında ürettikleri atom çekirdeği demire kadar. Şimdi öldüklerinde onları tüm bölgeye yaydılar ve küllerinden yeni yıldızlar doğdu. En büyüklerinin muhteşem bir sonu vardı. Süpernova patlamaları sırasında çekirdekler o kadar çok parçacıkla bombalandı ki en ağır elementler bile oluştu. Yeni yıldızlar, gezegenler ve bazı kürelerde - yaşam oluşturdular.

Madde dalgalarının varlığı kanıtlanmıştır. Öte yandan, bir atomdaki bir elektron, enerji yaymadığı için duran dalga olarak kabul edildi. Hareket eden elektronların dalga özellikleri, elektron mikroskoplarını oluşturmak için kullanıldı ve bu da atomları ilk kez görmeyi mümkün kıldı (6). Sonraki yıllarda, Werner Heisenberg ve Erwin Schrödinger'in (de Broglie hipotezi temelinde) çalışmaları, tamamen deneyime dayalı olarak atomun elektron kabuklarının yeni bir modelini geliştirmeyi mümkün kıldı. Ancak bunlar makalenin kapsamı dışında kalan sorulardır.

Simyacıların hayali gerçek oldu

Yeni elementlerin oluştuğu doğal radyoaktif dönüşümler 1919. yüzyılın sonundan beri bilinmektedir. XNUMX'te, şimdiye kadar sadece doğanın yapabileceği bir şey. Ernest Rutherford bu dönemde parçacıkların madde ile etkileşimi ile uğraştı. Testler sırasında protonların nitrojen gazı ile ışınlanmasının bir sonucu olarak ortaya çıktığını fark etti.

Bu fenomenin tek açıklaması, helyum çekirdekleri (bu elementin bir izotopunun bir parçacığı ve çekirdeği) ile nitrojen (7) arasındaki reaksiyondu. Sonuç olarak, oksijen ve hidrojen oluşur (bir proton, en hafif izotopun çekirdeğidir). Simyacıların dönüşüm rüyası gerçek oldu. Sonraki yıllarda doğada bulunmayan elementler üretildi.

a-parçacıkları yayan doğal radyoaktif müstahzarlar artık bu amaç için uygun değildi (ağır çekirdeklerin Coulomb bariyeri, hafif bir parçacığın onlara yaklaşması için çok büyüktür). Ağır izotopların çekirdeklerine muazzam enerji veren hızlandırıcılar, günümüz kimyacılarının atalarının "metallerin kralı"nı elde etmeye çalıştıkları "simya fırınları" olduğu ortaya çıktı (8).

Aslında, altın ne olacak? Simyacılar en çok cıvayı üretimi için hammadde olarak kullandılar. Kabul edilmelidir ki, bu durumda gerçek bir “burnu” vardı. Yapay altın ilk olarak bir nükleer reaktörde nötronlarla muamele edilen cıvadan elde edildi. Metal parça 1955'te Cenevre Atom Konferansı'nda gösterildi.

Şekil 6. Taramalı tünelleme mikroskobunda görüntüde görülebilen altın yüzeyindeki atomlar.

7. Elementlerin ilk insan dönüşümü şeması

Fizikçilerin başarısıyla ilgili haberler dünya borsalarında kısa bir heyecan bile yarattı, ancak sansasyonel basın raporları, bu şekilde çıkarılan cevherin fiyatı hakkındaki bilgilerle yalanlandı - doğal altından çok daha pahalıdır. Reaktörler değerli metal madeninin yerini almayacak. Ancak bunların içinde üretilen (tıp, enerji, bilimsel araştırma amaçlı) izotoplar ve yapay elementler altından çok daha değerlidir.

8. Periyodik tablodaki uranyumdan sonra ilk birkaç elementi sentezleyen tarihi siklotron (Lawrence Radyasyon Laboratuvarı, California Üniversitesi, Berkeley, Ağustos 1939)

Metinde öne sürülen konuları araştırmak isteyen okuyucular için, Bay Tomasz Sowiński'nin yazdığı bir dizi makaleyi öneriyorum. 2006-2010'da "Young Technics" programında ("Nasıl keşfettiler" başlığı altında) yer aldı. Metinler ayrıca yazarın web sitesinde de mevcuttur: .

Döngü "Yüzyıllardır bir atomla» Geçen yüzyılın genellikle atom çağı olarak adlandırıldığını hatırlatarak başladı. Tabii ki, XNUMX. yüzyılın fizikçilerinin ve kimyagerlerinin maddenin yapısındaki temel başarılarını not etmekte başarısız olamaz. Bununla birlikte, son yıllarda, mikro kozmos hakkındaki bilgiler daha hızlı ve daha hızlı genişliyor, tek tek atomları ve molekülleri manipüle etmeye izin veren teknolojiler geliştiriliyor. Bu bize atomun gerçek yaşının henüz gelmediğini söyleme hakkını veriyor.